(57)【要約】【課題】目標の移動速度によらず高い測角精度を得られるレーダ装置を提供すること。【解決手段】予測フィルタにより算出された１の予測点の近傍に複数の予測点を追加設定し、各予測点ごとに個別に合成開口処理を実施する。そして、これにより算出されたアンテナパターンを用いて受信利得の最も高い予測点を選択し、この予測点につき合成開口されたデータを用いて測角処理を実行するようにする。これによりただ一つの予測点でなく、複数の予測点を合成開口ポイントの候補として用いることができ、これらから最も信憑性の高いポイントのデータを用いて測角処理を実施できるようになる。従って予測フィルタにより算出された予測位置が現実とずれた場合でも、測角精度を高精度に保つことが可能となり、ひいては、目標の移動速度によらず高い測角精度を得られるレーダ装置を提供することが可能になる。【選択図】      図２
2006017475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に搭載されこの移動体とは異なる移動目標を捕捉するレーダ装置において、
アンテナ部と、
前記アンテナ部からレーダパルスを送出する送信部と、
前記移動目標からのエコーパルスを前記アンテナ部を介して受信して受信信号を得る受信部と、
前記移動目標が移動すると予測される予測点を前記受信信号から算出する予測手段と、
前記予測点とは異なる位置に複数の予測点を設定して、これらの予測点ごとに前記受信信号を位相補正した補正データを生成する補正手段と、
前記予測点ごとの補正データを用いて各予測点ごとに前記アンテナ部の開口を合成した合成開口データを生成する合成開口手段と、
前記複数の予測点ごとの合成開口データから測角用データを生成するデータ生成手段と、
このデータ生成手段から与えられる測角用データに基づいて前記移動目標の測角値を算出する測角手段とを具備することを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記送信部は、前記レーダパルスの送信周波数をスイープしてチャープパルスを送信し、
さらに、前記受信信号をパルス圧縮して、前記合成開口手段に与えられる補正データをレンジ高分解能化するレンジ分解能処理手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記送信部は、前記レーダパルスの送信周波数をステップ状に変化させ、
さらに、ステップ周波数方式に基づいて、前記合成開口手段に与えられる補正データをレンジ高分解能化するレンジ分解能処理手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項４】
前記送信部は、複数のレーダパルスを含むパルス群ごとに送信周波数をステップ状に変化させ、
前記レンジ分解能処理手段は、前記パルスエコーをステップ周波数ごとに順次サンプリングしてステップ周波数処理を施すことを特徴とする請求項３に記載のレーダ装置。
【請求項５】
前記合成開口手段は、前記レンジ分解能処理手段を介した補正データから前記移動目標の一部を抽出し、この抽出された一部を対象とする合成開口処理を行うことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項６】
前記データ生成手段は、前記複数の予測点ごとの合成開口データをエコーレベルに関して重み付けして前記測角用データを生成することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項７】
前記データ生成手段は、複数のエコーパルスに基づく和ビーム成分の最も大きい予測点の合成開口データを前記測角用データとして抽出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項８】
前記予測手段は、前記移動体と前記移動目標とが衝突する位置を予測点として算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機や飛翔体などの移動体に搭載して使用されるレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＡＲ（合成開口レーダ）は、高分解能を得られるレーダ装置として知られている。この種のレーダ装置はアンテナを移動体に搭載し、各位置における受信データを空間的に合成することによりアンテナ開口を等価的に拡大して高い分解能を得るものである。  
ところで、合成開口レーダにより移動目標を追尾する場合にはアンテナと目標との相対位置が大きく変動するために、測角精度に誤差を生じる。予測フィルタなどを用いて目標の移動先を予測すれば誤差を効果的に補正し得るが、これはアンテナに対して目標が直線的に移動する場合に有効な手法であるため、飛翔体が飛翔体を追尾する場合のように、目標の軌跡を直線運動でモデル化し難い場合には充分な測角精度を得られない。予測位置自体にも誤差が有ると測角精度はさらに劣化する。
【０００３】
さらに合成開口レーダにおいては、合成開口処理により得られたデータからモノパルス測角方式により目標位置を測角することが多い。非特許文献１に、モノパルス測角方式における位相モノパルス方式、および振幅モノパルス方式に関する詳細が開示される。しかしながらこの方式には、レーダ装置と目標とが比較的近距離にある場合には目標の各部からの反射の影響が強くなり、測角精度が劣化するという不具合がある。このことからもＳＡＲにおいては、レーダ装置と目標とが互いに高速移動するケースでは十分な測角精度を期待できない。
【０００４】
なお発明者は、本発明に関連する技術を特願２００３−３１４３２７号（２００３年９月５日出願）において提案した。この提案によれば、ＳＡＲに特有の角度アンビギュイティおよびグレーティングローブによる悪影響を排除することが可能になる。
【非特許文献１】吉田  孝  著  ”改訂 レーダ技術”、電子情報通信学会（1996）、pp.260-264
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上述べたように既存の合成開口レーダは、目標との相対位置が高速で変化すると予測位置のずれが大きくなり測角誤差が大きくなるという不具合を持つ。特に、レーダ装置と目標とが比較的近距離にある場合には、目標の各部からの反射の影響によりモノパルス測角方式においては精度がさらに劣化する。よってこの種のレーダを移動体に搭載して別の移動体を追尾するという要求に応えるには、何らかの新規な技術を要する。  
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、目標の移動速度によらず高い測角精度を得られるレーダ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の一態様によれば、移動体に搭載されこの移動体とは異なる移動目標を捕捉するレーダ装置において、アンテナ部（例えば空中線６）と、前記アンテナ部からレーダパルスを送出する送信部（例えば基準信号発生器１、ミキサ２、ローカル発振器３、送信増幅器４、サーキュレータ５）と、前記移動目標からのエコーパルスを前記アンテナ部を介して受信して受信信号を得る受信部（例えば受信増幅器７、ミキサ８、ＡＤ変換器９）と、前記移動目標が移動すると予測される予測点を前記受信信号から算出する予測手段（例えば予測点算出部１０６）と、前記予測点とは異なる位置に複数の予測点を設定して、これらの予測点ごとに前記受信信号を位相補正した補正データを生成する補正手段（例えば位相補正処理部１０１）と、前記予測点ごとの補正データを用いて各予測点ごとに前記アンテナ部の開口を合成した合成開口データを生成する合成開口手段（例えば合成開口処理部１０３）と、前記複数の予測点ごとの合成開口データから測角用データを生成するデータ生成手段（例えば重み付け処理部１０４）と、このデータ生成手段から与えられる測角用データに基づいて前記移動目標の測角値を算出する測角手段（例えば測角処理部１０５）とを具備することを特徴とするレーダ装置が提供される。
【０００７】
このような手段を講じることにより、例えばカルマンフィルタなどの予測手段により目標の移動先が予測され、一つの予測点が算出される。本発明ではこの予測点の近傍に、複数の予測点が追加設定される。これらの予測点群は、例えば予測手段により算出されたポイントの周りにメッシュ状に座標を設定し、その格子点として仮定しても良いし、ランダムでも良い。予測点群に、予測手段により算出されたポイントを含むか否かはいずれでも良く、要するに予測点が複数設定される。そして、各予測点ごとに位相補正した受信信号をもとにそれぞれ合成開口処理が施されたのち、測角処理が実施される。  
このような構成であるから、たとえ予測手段により算出された予測点に誤差が含まれていたとしても、複数の予測点によるデータの平均値などから測角値を算出できるので、誤差の影響を軽減することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、目標の移動速度によらず高い測角精度を得られるレーダ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係わるレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。このレーダ装置は飛翔体などの移動体に搭載され、他の飛翔体（移動目標）などを追尾するために使用される。図１において、基準信号発生器１から発生された基準パルス信号は、ローカル発振器３からのローカル周波数信号とミキサ２により混合され、レーダパルスが生成される。このレーダパルスは送信増幅器４により電力増幅され、サーキュレータ５を介して空中線６から空間に送出される。
【００１０】
移動目標からのエコーパルスは空中線６により捕捉され、サーキュレータ５を介して受信増幅器７に与えられて低雑音増幅される。得られた受信信号はミキサ８により周波数変換されたのち、ＡＤ変換器９により直交デジタル（Ｉ，Ｑ）信号ｘに変換される。このデジタル信号は信号処理部１０に入力される。
【００１１】
信号処理部１０において、デジタル信号ｘはまず位相補正処理部１０１および予測点算出部１０６に与えられる。予測点算出部１０６はα−βフィルタまたはカルマンフィルタなどにより、移動目標の移動予測点を算出する。さらに予測点算出部１０６は、この算出した予測点の近傍の空間に複数の点をそれぞれ予測点として追加する。位相補正処理部１０１は、デジタル信号ｘに対する位相補正を予測点ごとに実施し、各予測点ごとの補正データを生成する。この補正データはレンジ分解能処理部１０２に与えられ、補正データに対する距離方向の高精度化が施される。この補正データは合成開口処理部１０３に入力される。
【００１２】
合成開口処理部１０３は、補正データを用いて予測点ごとにそれぞれ合成開口処理を施す。これにより、複数の予測点ごとに合成開口データを算出することが可能になる。各予測点ごとの合成開口データは重み付け処理部１０４に与えられ、例えばエコーレベルに基づく重み付け処理により、測角処理に用いるべき適切なデータが生成される。この測角用データは測角処理部１０５に入力され、移動目標の測角データが算出される。
【００１３】
図２は、図１のレーダ装置による測角処理を原理的に示す模式図である。この図はパルス圧縮方式による測角処理につき説明するためのもので、移動体１００に搭載されるレーダが空間を移動するにつれ一定の周期でレーダパルスが送出される。各レーダパルスはそれぞれ一定の送信周波数ｆを持ち、その放射点（エコー受信点）に通し番号０，１，２，…，Ｎ−１を付加してそれぞれ区別する。
【００１４】
この実施形態では、予測フィルタにより算出される予測点に加えて複数の予測点を追加設定する。そして各予測点をそれぞれ合成開口ポイントとして、位置０，１，２，…，Ｎ−１における受信データを合成開口する。すなわち各合成開口ポイントごとに個別に合成開口データを生成し、そのうち受信レベルの最も高いポイントのデータを用いて、あらためて詳細な測角処理を実施するようにする。次に、上記構成における作用を詳しく説明する。
【００１５】
［第２の実施形態］
図３は、図１のレーダ装置による測角処理の第２の実施形態を示す模式図である。ここではステップ周波数方式により測角処理を実施する形態につき説明する。以下では、観測された直交デジタル信号を、ｘ（ｍ，ｎ）と表記する。ｍはステップ周波数における周波数番号（ｍ＝０〜Ｍ−１）であり、ｎは位置番号（ｎ＝０〜Ｎ−１）である。
【００１６】
図３において、予測フィルタによる予測点を点ｐとし、その近傍に追加した予測点をｘｐ（ｐ）（ｐ＝１〜Ｐ）とすると、位置による位相補正後の観測値ｘｃを次式（１）により表すことができる。  
【数１】
2006017475.tif 000003
【００１７】
ΔＲは、図３における位置ベクトルＲｎ′−Ｒｎに相当する。
【００１８】
予測点算出部１０６において例えばα−β−γフィルタを用いると、予測点ｐを次式（２）のように斬化式で表すことができる。  
【数２】
2006017475.tif 000004
【００１９】
式（２）に示される空中線パターンにより得られた取得データｘｃ（ｍ、ｎ）を用いて、レンジ方向および角度方向の演算を行う。レンジ方向に関する演算には次式（３）を用いることができる。  
【数３】
2006017475.tif 000005
【００２０】
角度方向に関する演算には次式（４）を用いることができる。  
【数４】
2006017475.tif 000006
【００２１】
式（４）は和ビーム（Σビーム）を示す。式（４）のＥｓ（ｐ）（ｐ＝１〜Ｐ）のうち絶対値が最大となるｐ＝ｐmaxを選定し、その値をＥｓ（pmax）とする。
【００２２】
Δビームついても同様に、次式（５）により演算する。式（５）のＥｄ（ｐ）（ｐ＝１〜Ｐ）のうち絶対値が最大となるｐ＝ｐmaxを選定し、その値をＥｄ（pmax）とする。  
【数５】
2006017475.tif 000007
【００２３】
次に、得られたＥｓ(pmax)、Ｅｄ(pmax)を用いて次式（６）により誤差電圧εを算出する。  
【数６】
2006017475.tif 000008
【００２４】
この誤差電圧εから、既知の手法を用いて合成開口測角値φを得ることができる。なお式（６）のφは、レーダ装置（移動体１００）の移動経路を軸とする円錐上に分布する。この角度アンビギュイティを除去するには、モノパルス測角方式などにより取得した測角値をφに対して空間的に重ねあわせるなどの手法を用いれば良い。
【００２５】
［第３の実施形態］
この実施形態では、既知のパルス圧縮処理に、本発明に基づく合成開口処理を組み合わせることにより、距離分解能を向上させたデータを用いて測角処理を行うようにする。特にこの実施形態では、移動目標の一部分（例えば先端部）を抽出し、その抽出目標に対する合成開口処理を実施することで、測角精度の向上を図る。
【００２６】
この実施形態では、図２の模式図においてチャープパルスを用いることに相当する。すなわち、各位置０，１，２，…，Ｎ−１において、中心周波数をｆとしてリニア周波数変調されたレーダパルスを送信するようにすれば良い。
【００２７】
エコー受信時におけるパルス圧縮処理は、例えば次式（７）を用いて実施することができる。  
【数７】
2006017475.tif 000009
【００２８】
式（７）により得られる各パラメータを用いて式（３）以降の処理を実施することにより、パルス圧縮処理と、複数の予測点を用いた合成開口処理とを組み合わせることができる。
【００２９】
図４は、目標捕捉時の距離分解能が比較的低い状態を示す模式図である。本実施形態に示すパルス圧縮処理、あるいはステップ周波数方式を用いない場合においては距離分解能が頭打ちとなり、目標の一部分を抽出することが難しい。これに対し、パルス圧縮処理を用いれば図５に示すように距離分解能を高めることができ、移動目標の一部分をターゲットとする追尾を行うことが可能になる。これにより、レーダ装置と移動目標との距離が近く、目標の大きさが無視できないような場合においても測角精度の劣化を抑えることが可能になる
［第４の実施形態］
図６は、図１のレーダ装置による測角処理の他の実施形態を示す模式図である。この実施形態でも図３のようにステップ周波数方式を用いるが、パルスの送受信タイミングを図３と異ならせるようにする。図６において、送信レーダパルスの各周波数をｆ（ｎ，ｍ）（ｎ＝０〜Ｎ−１、Ｎ；観測点の数）（ｍ＝０〜Ｍ−１、Ｍ；周波数の数）としたとき、この実施形態では受信エコーパルスのサンプリング順序を、ｆ（０，０）、ｆ（１，０）…、ｆ（Ｎ−１，０）、ｆ（０，１）、ｆ（１，１）、…、ｆ（Ｎ−１，１）、…ｆ（０、Ｍ−１）、ｆ（１、Ｍ−１）…、ｆ（Ｎ−１、Ｍ−１）とするようにする。つまり送信時において、複数のレーダパルスを含むパルス群ごとに送信周波数をステップ状に変化させ、受信時において、ステップ周波数ごとにパルスエコーを順次サンプリングしてステップ周波数処理を施すようにする。これにより取得したデータを用いて式（３）以降の処理を施す。  
このようにすれば、観測点の間隔を狭くした状態を等価的に実現することができる。これにより、レーダによる物理的な観測点の間隔が広いためグレーティングローブを生じ易い環境においても、グレーティングローブの発生を抑えることが可能になる。
【００３０】
以上述べたように上記の各実施形態では、予測フィルタにより算出された１の予測点の近傍に複数の予測点を追加設定し、各予測点ごとに個別に合成開口処理を実施する。そして、これにより算出されたアンテナパターンを用いて受信利得の最も高い予測点を選択し、この予測点につき合成開口されたデータを用いて測角処理を実行するようにする。これによりただ一つの予測点でなく、複数の予測点を合成開口ポイントの候補として用いることができ、これらから最も信憑性の高いポイントのデータを用いて測角処理を実施できるようになる。従って予測フィルタにより算出された予測位置が現実とずれた場合でも、測角精度を高精度に保つことが可能となり、ひいては、目標の移動速度によらず高い測角精度を得られるレーダ装置を提供することが可能になる。
【００３１】
また上記実施形態ではパルス圧縮処理またはステップ周波数方式などとの組み合わせにより距離分解能を向上させたデータを生成するようにしているので、レーダ装置と目標との距離が近く目標の各部からの反射の影響がある場合でも、測角性能の劣化を防止することが可能になる。これらのことから本実施形態によれば、目標の予測位置に誤差がある場合や、目標の大きさが無視できない場合でも、高精度な測角性能を得ることができる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば第２の実施形態ではステップ周波数方式を用いる場合につき説明したが、この方式を用いない場合には各式におけるｍをｍ＝１とすれば良い。また合成開口処理においては位相モノパルス演算や空中線の位相モノパルス演算のほか、振幅モノパルス測角方式を用いることもできる。
【００３３】
また、式（６）の誤差電圧εを算出するにあたり、Ｅｓの絶対値が最大となるｐ＝ｐmaxのみを用いて測角演算を実施するようにした。これに代えて、いわゆる重み付け処理により測角値を算出することもできる。つまり、例えばＥｓの絶対値の最大値から降順にｋ個までのｐ＝ｐ１〜ｐｋを選定してｋ個の誤差電圧ε（１）〜ε（ｋ）を求め、その平均値から測角値を算出するようにしても良い。
【００３４】
さらに、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係わるレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図。
【図２】図１のレーダ装置による測角処理を原理的に示す模式図。
【図３】図１のレーダ装置による測角処理の第２の実施形態を示す模式図。
【図４】目標捕捉時の距離分解能が比較的低い状態を示す模式図。
【図５】目標捕捉時の距離分解能を図４よりも高めた状態を示す模式図。
【図６】図１のレーダ装置による測角処理の第３の実施形態を示す模式図。
【符号の説明】
【００３６】
１…基準信号発生器、２…ミキサ、３…ローカル発振器、４…送信増幅器、５…サーキュレータ、６…空中線、７…受信増幅器、８…ミキサ、９…ＡＤ変換器、１０…信号処理部、１００…移動体、１０１…位相補正処理部、１０２…レンジ分解能処理部、１０３…合成開口処理部、１０４…処理部、１０５…測角処理部、１０６…予測点算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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